限制學(xué)生寢室使用大功率電器的新裝置研究

摘 要： 由于市場(chǎng)上一種名為功率轉(zhuǎn)換插座的裝置的出現(xiàn)，使得學(xué)生寢室原有的限電機(jī)制失靈，不能再限制大功率純電阻電器的使用。違章用電容易埋下安全隱患，發(fā)生用電危險(xiǎn)。本文通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)，測(cè)量出正常用電和違章用電兩種情況下各項(xiàng)電路參數(shù)，并結(jié)合Multisim.v10.0.1對(duì)兩種用電情況進(jìn)行模擬，綜合分析各種參數(shù)的不同，采用智能限電的理念，提出新的限電機(jī)制。結(jié)果顯示，可以通過(guò)在宿舍入口處安裝已編程的單片機(jī)，檢測(cè)電流的大小，來(lái)判斷學(xué)生寢室是否違章用電，從而在根本上限制了學(xué)生寢室私自使用大功率純電阻電器，保障了學(xué)生寢室用電安全。

關(guān)鍵詞： 功率轉(zhuǎn)換插座 學(xué)生寢室 智能限電 功率因數(shù) 單片機(jī)

學(xué)生寢室目前為保障學(xué)生用電安全，限制學(xué)生在寢室使用大功率純電阻電器，如暖手寶，熱得快等裝置。目前學(xué)生寢室配電箱中安裝已編程的單片機(jī)，采用限制電壓和電流最小相位角的限電機(jī)制，即當(dāng)功率較大（>400W）且功率因數(shù)接近1（電壓電流相位角偏?。r(shí)，單片機(jī)會(huì)切斷電源電路[1]。但是當(dāng)前市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種名為功率轉(zhuǎn)換插座的裝置，利用電容產(chǎn)生無(wú)功功率，以減小大功率純電阻電器使用時(shí)的功率因數(shù)，從而將純電阻電器偽裝成非純電阻電器，避開(kāi)單片機(jī)的限電控制。本項(xiàng)目的目的在于研究設(shè)計(jì)一種新型裝置，從根本上解決限制學(xué)生寢室使用大功率純電阻電器的目的。項(xiàng)目的最大意義在于保障學(xué)生用電安全。根據(jù)之前對(duì)于多種功率轉(zhuǎn)換器的研究，了解到部分功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)部沒(méi)有熔斷電阻，容易發(fā)生危險(xiǎn)，且功率轉(zhuǎn)換器的工作原理在于產(chǎn)生無(wú)功功率，無(wú)功功率在線路中不斷傳遞，會(huì)加重學(xué)校電路的負(fù)擔(dān)，加快線路老化[2]，既造成了經(jīng)濟(jì)損失，又埋下了安全隱患。對(duì)于使用功率轉(zhuǎn)換器是否會(huì)造成電器的壽命縮短，加快內(nèi)部線路老化，還在進(jìn)一步研究當(dāng)中。

1.功率轉(zhuǎn)換插座的研究

1.1功率轉(zhuǎn)換插座的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)不同功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究以及元件參數(shù)的測(cè)量，不同功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)部構(gòu)造不同。但是通過(guò)對(duì)內(nèi)部電路分析，畫(huà)出電路圖，其內(nèi)部電路分布一致，圖1為XW-03B型號(hào)的功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電路及其元件參數(shù)。

圖1 XW-03B型號(hào)的功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電路

1.2功率轉(zhuǎn)換插座的工作原理

功率轉(zhuǎn)換插座利用并聯(lián)在電阻上的電容產(chǎn)生無(wú)功功率，補(bǔ)償線路中接入大功率純電阻電器后電流和電壓相位角的減小，從而減小了功率因數(shù)，因而在原有的限電機(jī)制下，大功率純電阻電器與功率轉(zhuǎn)換插座配合使用，不會(huì)造成斷電。圖中雙向二極管的作用在于穩(wěn)壓，保證用電器在此電路中，置于額定電壓下工作。熔斷電阻的作用是在發(fā)生短路等情況下切斷電路。

2.實(shí)地調(diào)研

通過(guò)電話網(wǎng)絡(luò)及實(shí)地調(diào)查等相結(jié)合的方式，深入了解我國(guó)各地區(qū)不同高校的限電機(jī)制，以及功率轉(zhuǎn)換器的使用情況，并且了解學(xué)生宿舍日常使用的電器，做成明細(xì)表。如表1，表2所示。

通過(guò)以上調(diào)研數(shù)據(jù)可得到以下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

a.各個(gè)高校宿舍均采取限電措施保障學(xué)生安全，限電額度稍高于學(xué)生宿舍用電總額，為800W～1000W。

b.以上高校學(xué)生群體中均存在使用功率轉(zhuǎn)換器的現(xiàn)象。

c.以上可推知，各高校配電箱均采用同一機(jī)制限制大功率純電阻電器的使用。

3.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

由于當(dāng)前限電機(jī)制是在宿舍配電箱處，添加了已編程的單片機(jī)。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，無(wú)法對(duì)寢室配電箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。故將探究的著手點(diǎn)確定為宿舍端口，并采用同配電箱相同的限電方式，即在宿舍用電總線入口處添加已編程的單片機(jī)對(duì)電路的開(kāi)閉實(shí)行控制。

本文采用智能限電理念[4]，即通過(guò)單片機(jī)對(duì)用電負(fù)荷信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列運(yùn)算和判斷，從而對(duì)用戶使用了違章電器進(jìn)行監(jiān)控。如果單片機(jī)沒(méi)有檢測(cè)到符合違章電器特征的負(fù)荷且總負(fù)荷小于規(guī)定的負(fù)荷，說(shuō)明該用戶用電是安全的電閘導(dǎo)通，綠燈一直亮，數(shù)碼管顯示當(dāng)前的負(fù)荷大小；反之，單片機(jī)將輸出關(guān)斷信號(hào)，將電閘關(guān)閉，同時(shí)數(shù)碼管顯示HH，蜂鳴器報(bào)警，10秒后，單片機(jī)自動(dòng)檢測(cè)負(fù)荷情況，若違章電器仍然存在，單片機(jī)繼續(xù)關(guān)閉電閘；若違章電器被撤去，則單片機(jī)發(fā)出導(dǎo)通信號(hào)，控制晶閘管恢復(fù)供電，數(shù)碼管恢復(fù)顯示負(fù)荷大小。

綜合以上各種理論，確定了具體的研究路線：通過(guò)分析對(duì)比正常用電情況下的參數(shù)和違章用電（大功率純電阻電器和功率轉(zhuǎn)換器配合使用）情況下的參數(shù)的不同，來(lái)使單片機(jī)分析檢測(cè)線路中是否存在違章用電情況。

正常用電情況：

a.所有用電器共同工作（包括四臺(tái)電腦，四盞臺(tái)燈，一臺(tái)飲水機(jī)，四部手機(jī)充電器）。

b.四臺(tái)電腦同時(shí)工作。

c.四部手機(jī)充電器共同工作。

違章用電情況：

a.XW-03B型功率轉(zhuǎn)換器，500W暖手寶共同使用。

b.PZD001型功率轉(zhuǎn)換器，500W暖手寶共同使用。

通過(guò)以上幾種用電情況的參數(shù)，總結(jié)出正常用電情況下的功率因數(shù)范圍和違章用電情況下的功率因數(shù)范圍。找出其中的不同，用以指導(dǎo)確定新裝置的限電機(jī)制。

針對(duì)以上幾種用電情況的實(shí)驗(yàn)計(jì)算過(guò)程如下：

正常用電情況：

a.所有用電器共同工作（包括四臺(tái)電腦，四盞臺(tái)燈，一臺(tái)飲水機(jī)，四部手機(jī)充電器）。

b.四臺(tái)電腦同時(shí)工作。

功率因數(shù)=360.24W/1320W=0.273

c.四部手機(jī)充電器共同工作。

功率因數(shù)=20W/176W=0.114

違章用電情況：

4.結(jié)論

在正常用電情況下功率因數(shù)可以為1，比如單獨(dú)使用臺(tái)燈或者飲水機(jī)的情況。但是當(dāng)功率較大時(shí)（P>300W）功率因數(shù)接近1時(shí)會(huì)斷電，而違章用電情況為大功率用電，所以正常用電情況下的功率因數(shù)僅考慮功率較大時(shí)的功率因數(shù)范圍。故將功率因數(shù)的范圍的上限定為0.40。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可知：

a.正常用電情況下的功率因數(shù)范圍在0.114～0.40。違章用電情況下的功率因數(shù)范圍在0.142～0.228。違規(guī)用電情況下的功率因數(shù)范圍在正常用電情況下的功率因數(shù)的范圍之間。

b.正常用電情況下總線的電流在0A～8.44A，即0A10A。

由此確定了新裝置的研究的最終技術(shù)路線：在宿舍電路入口處安裝單片機(jī)，用以判斷線路電流是否大于9A。當(dāng)總線電流大于或等于9A，切斷電源，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，10秒后自動(dòng)恢復(fù)供電。若依舊大于9A，則再次瞬間斷電，直至違章電器在線路中移除，方可恢復(fù)供電。其流程圖如圖2所示。

圖2 智能限電流程圖

參考文獻(xiàn)：

[1]王新河，許建新.現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電源中的應(yīng)用是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)[J].治黃科技信息，2006，（03）.

[2]張文亮，湯廣福，查鯤鵬，賀之淵.先進(jìn)電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，（04）.

[3]滕樂(lè)天，何維國(guó)，劉雋，包海龍.電力電子技術(shù)對(duì)上海電網(wǎng)發(fā)展的革新與挑戰(zhàn)[J].供用電，2009，（07）.

[4]張炳武.固態(tài)繼電器電參數(shù)測(cè)試技術(shù)研究和測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[D].中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)，2007，（8）.

基金項(xiàng)目：四川大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃（201210610152）。

通訊作者：陳軍偉